復(fù)合活性氧化鋅在全鋼載重子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用

吳 越，周 磊，尚克劍，袁利真

[雙錢集團(tuán)（新疆）昆侖輪胎有限公司，新疆 烏魯木齊 831400]

氧化鋅是一種常見的化學(xué)添加劑，在橡膠制品生產(chǎn)中具有補(bǔ)強(qiáng)、增硬、導(dǎo)熱及提高硫化活性的作用。如果氧化鋅用量不足，則膠料的抗硫化返原性能較差，硫化膠的物理性能（如模量、壓縮永久變形）受損。隨著氧化鋅用量的增大，膠料的抗硫化返原性能起初迅速提高，但隨后提升緩慢[1]。復(fù)合活性氧化鋅是先由間接法氧化鋅和堿式碳酸鋅經(jīng)過二次高溫焙燒后形成活性氧化鋅，再與多種活性劑、改性劑復(fù)合而成，其中氧化鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，大大低于普通氧化鋅。它能夠克服多年來氧化鋅重金屬含量過高對(duì)橡膠分子的損害，延長(zhǎng)橡膠制品的使用壽命，其金屬離子含量的減小也有利于滿足環(huán)保要求[2-3]。

針對(duì)復(fù)合活性氧化鋅相比普通氧化鋅的成本優(yōu)勢(shì)，本工作研究復(fù)合活性氧化鋅減量替代普通氧化鋅在全鋼載重子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），STR20復(fù)合膠，泰國產(chǎn)品；炭黑N234，新疆峻新化工有限公司產(chǎn)品；白炭黑975MP，無錫恒亨白炭黑有限公司產(chǎn)品；芳烴油，新疆金雪馳科技股份有限公司產(chǎn)品；復(fù)合活性氧化鋅，安徽宏遠(yuǎn)橡膠科技有限公司產(chǎn)品；普通氧化鋅，國內(nèi)某公司產(chǎn)品。

1.2 配方

生產(chǎn)配方：NR 100，炭黑N234 36，白炭黑 15，普通氧化鋅 3.5，硬脂酸 2.5，硫黃 1，其他 9.76。

試驗(yàn)配方中以1.5份復(fù)合活性氧化鋅替代3.5份普通氧化鋅，其余組分及用量均同生產(chǎn)配方。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XK-150型開煉機(jī)，廣東湛江機(jī)械廠產(chǎn)品；F270型和F370型密煉機(jī)，大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司產(chǎn)品；VSMV-100B型門尼粘度計(jì)，上海諾甲儀器儀表有限公司產(chǎn)品；MDR2000E型硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；T2000型電子拉力機(jī)，美國英斯特朗公司產(chǎn)品；RH-2000型橡膠壓縮生熱試驗(yàn)機(jī)和RPA8000橡膠加工分析儀，中國臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

1.4.1 小配合試驗(yàn)

膠料混煉全部在XK-150型開煉機(jī)上進(jìn)行。混煉工藝為：NR復(fù)合膠破膠過輥→加氧化鋅、防老劑、樹脂等配合劑→加炭黑、白炭黑→下片→調(diào)整輥距→加硫黃和促進(jìn)劑→下片停放。

1.4.2 大配合試驗(yàn)

NR塑煉和膠料一段混煉在F370型密煉機(jī)中進(jìn)行，壓砣壓力為0.6 MPa；膠料二段混煉在F270型密煉機(jī)中進(jìn)行，壓砣壓力為0.4 MPa。NR塑煉和膠料混煉工藝如下。

NR塑煉工藝為：加NR復(fù)合膠（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為55 r·min-1）→壓壓砣（70 s）→提壓砣（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為26 r·min-1，保持27 s）→壓壓砣→排膠（162 ℃），停放4 h；膠料一段混煉工藝為：加NR塑煉膠、炭黑、氧化鋅、硬脂酸（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為55 r·min-1）→壓壓砣（23 s）→提壓砣（保持6 s）→壓壓砣（155 ℃）→提壓砣（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為22 r·min-1，保持30 s）→排膠，停放6 h；膠料二段混煉工藝為：加一段混煉膠、硫黃、促進(jìn)劑和其他小料（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為38 r·min-1）→保持15 s→壓壓砣（35 s）→提壓砣（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r·min-1）→保持10 s→壓壓砣（50 s）→提壓砣（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為17 r·min-1）→保持10 s→壓壓砣→排膠（122 ℃）。

1.5 性能測(cè)試

各項(xiàng)性能均按相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化分析

兩種氧化鋅的理化分析結(jié)果見表1。

表1 兩種氧化鋅的理化分析結(jié)果

從表1可以看出，復(fù)合活性氧化鋅的氧化鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為51.23%，遠(yuǎn)低于普通氧化鋅，其他性能均與普通氧化鋅接近，且符合指標(biāo)要求。

2.2 小配合試驗(yàn)

小配合試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 小配合試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出，與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗(yàn)配方膠料的Fmax略有減小，t90和t100均縮短，試驗(yàn)配方硫化膠的硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和DIN磨耗量均相當(dāng)，撕裂強(qiáng)度略有減小，壓縮生熱降低。

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的應(yīng)變和頻率掃描曲線（80 ℃）分別如圖1和2所示，tanδ為損耗因子。

從圖1和2可以看出，試驗(yàn)配方膠料的tanδ均小于生產(chǎn)配方膠料，說明試驗(yàn)配方從材料角度來說，彈性更小，滾動(dòng)阻力和摩擦生熱更低。

圖1 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的應(yīng)變掃描曲線

圖2 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的頻率掃描曲線

2.3 大配合試驗(yàn)

大配合試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 大配合試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出：大配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性變化規(guī)律與小配合試驗(yàn)結(jié)果一致；試驗(yàn)配方硫化膠的硬度、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、壓縮生熱和DIN磨耗量均與生產(chǎn)配方硫化膠相當(dāng)，300%定伸應(yīng)力略小于生產(chǎn)配方硫化膠。總體來看，試驗(yàn)配方硫化膠的物理性能與生產(chǎn)配方硫化膠保持一致。

大配合試驗(yàn)?zāi)z料的應(yīng)變和頻率掃描曲線（80 ℃）分別如圖3和4所示。

圖3 大配合試驗(yàn)?zāi)z料的應(yīng)變掃描曲線

圖4 大配合試驗(yàn)?zāi)z料的頻率掃描曲線

從圖3和4可以看出，大配合試驗(yàn)配方膠料的tanδ均小于生產(chǎn)配方膠料，這與小配合試驗(yàn)結(jié)果保持一致，說明使用復(fù)合活性氧化鋅后，膠料的滾動(dòng)阻力和生熱降低。

2.4 成品性能

采用試驗(yàn)配方膠料生產(chǎn)12.00R20 18PR全鋼載重子午線輪胎并進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：行駛速度 55 km·h-1，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 830 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 3 750 kg，行駛前47 h按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，之后每5 h速度增大5 km·h-1，負(fù)荷增大10%，速度增大至65 km·h-1時(shí)不再增大，負(fù)荷一直增大至輪胎損壞為止。試驗(yàn)輪胎和生產(chǎn)輪胎的累計(jì)行駛時(shí)間分別為87.70和82.19 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的損壞形式分別為花紋溝裂和胎冠鼓包。

試驗(yàn)輪胎和生產(chǎn)輪胎的里程試驗(yàn)損壞斷面分別如圖5和6所示。

圖5 試驗(yàn)輪胎的里程試驗(yàn)損壞斷面

圖6 生產(chǎn)輪胎的里程試驗(yàn)損壞斷面

2.5 成本分析

按照我公司每年生產(chǎn)200萬套全鋼載重子午線輪胎計(jì)算，復(fù)合活性氧化鋅的使用量為250 t，每噸采購成本比普通氧化鋅低2 000元，每年可為公司節(jié)約成本50萬元。

3 結(jié)論

在全鋼載重子午線輪胎胎面膠中以復(fù)合活性氧化鋅減量替代普通氧化鋅，膠料的Fmax減小，t90縮短，硫化膠的物理性能保持一致，滾動(dòng)阻力和生熱降低，成品輪胎的耐久性能提高，且材料成本 降低。